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微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術

發布時間:2021-08-19

(一)微流控芯片簡介

1.1 微型化、集成化和智能化,是現代科技發展的一個重要趨勢。伴隨著微機電加工系統(MEMS)技術的發展,電子計算機已由當年的“龐然大物”演變成由一個個微小的電路集成芯片組成的便攜系統,甚至是一部微型的智能手機。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖1)

與之發展類似,今天我們介紹的微流控芯片,又稱芯片實驗室(Lab-on-a-Chip),是一種以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征的科學技術,具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應、分離和檢測等縮微到一個幾平方厘米芯片上的能力,其基本特征和最大優勢是多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規模集成。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖2)

1.2 各種材質和功能的微流控芯片及實驗室相關配套儀器

微流控芯片早期也是從MEMS技術發展而來,通過微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質的基片上,加工出微米至亞毫米級的流體通道、反應或檢測腔室、過濾器或傳感器等各種微結構單元,而后在微米尺度空間對流體進行操控,配合流體控制或分析儀器自動完成生物實驗室中的提取、擴增、萃取、標記、分離、分析,或者細胞的培養、處理、分選、裂解、分離分析等過程。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖3)
微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖4)

 

1.3 微流控芯片的發展及應用領域

上世紀90年代初,A.Manz等人采用芯片實現了此前一直在毛細管內完成的電泳分離,顯示了它作為一種分析化學工具的潛力;90年代中期,美國國防部提出對士兵個體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內微流控芯片的研究;在整個90年代,微流控芯片更多的被認為是一種分析化學平臺,因此往往和“微全分析系統”(Micro Total Analysis System, u-TAS)概念混用。因此,原則上,微流控芯片作為一種“微全分析”技術平臺可以應用于各個分析領域,如生化醫療診斷、食品和商品檢驗、環境監測、刑事科學、軍事科學和航天科學等重要應用領域,其中生物醫學分析是熱點。

2000年G. Whitesides等關于PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發表,2002年S. Quake等以微閥微泵控制為主要特征的“微流控芯片大規模集成”文章在Science上發表,這些里程碑式的工作使學術界和產業界看到了微流控芯片超越“微全分析系統”的概念而發展成為一種重大的科學技術的潛在能力。例如,利用微流控芯片作為一種微反應器,通過在微流控芯片上開展組合化學反應或結合液滴技術,有望用于藥物合成與篩選,或納米粒子、微球、晶體等的高通量、大規模制備,甚至形成一種“芯片上的化工廠或制藥廠”。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖5)

(二)微流控芯片的戰略意義

自微流控芯片誕生以來,一直受到學術界和產業界的極大關注。2001年,“Lab on a Chip”雜志創刊,它很快成為本領域的一種主流刊物,引領世界范圍微流控芯片研究的深入開展。2004年美國Business 2.0雜志在一篇封面文章把芯片實驗室列為“改變未來的七種技術之一”。2006年7月Nature雜志發表了一期題為“芯片實驗室”專輯,從不同角度闡述了芯片實驗室的研究歷史、現狀和應用前景,并在編輯部的社評中指出:芯片實驗室可能成為“這一世紀的技術”。至此,芯片實驗室所顯示的戰略性意義,已在更高層面和更大范圍內被學術界和產業界所認同。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖6)

2.1 作為一種戰略性的科學技術,微流控芯片的發展有它的內在必然性

首先,微型化是人類社會發展的一種趨勢,面對我們所生存的已經消耗過度的地球,微型化反映了人類對資源枯竭的憂慮和對資源利用的優化。其次,世界上有太多的技術和流體操控有關,而當被操控的流體在一個微米尺度的空間里流動的時候,會出現很多新的現象,其中的一部分至今還沒有被我們所充分認識。第三則是基于對系統研究的需求。系統學研究整體,更研究構成整體的各個局部之間的相互聯系,自古以來,人類一直缺少微小但又能操控全局的工具,微流控芯片能承載多種單元技術并使之靈活組合和規模集成的特征使其可能成為系統研究的重要平臺。

2.2 微流控芯片的戰略意義還根植于它和信息科學、信息技術的特殊關系

一般認為,在二十世紀,人們借助于電子在半導體或金屬中流動得到的“信息”,成就了具有戰略意義的信息科學和信息技術;而在二十一世紀,通過帶有可溶性生物分子或懸浮細胞的水溶液在微流控芯片通道或平面上流動以研究生命,理解生命,以至部分地改造生命,將有可能同樣成就一種新的具有戰略意義的科學技術:微流控學。因為,“生命”和“信息”構成了現代科學技術的核心。

2.3 微流控芯片——當今國家產業轉型的一種先導型科學技術

微流控芯片是注定要被深度產業化的科學技術。這種判斷首先當然是源于全球性產業轉型需求的不可逆轉,需求加劇,進程加快;另一方面,或許更為重要的,則是基于對這一科學技術在一些重大領域不可替代性的認識,而這種認識只是在最近的若干年內才被人們所逐步接受。它很可能發展成為當今產業轉型的一種模式,對以生物經濟為代表的新型經濟產生重要影響。例如未來幾年內,如果將微流控芯片與“生物手機”、“互聯網+”進一步結合,這樣一個由一種新興技術引發的可能具有全局性影響的趨勢,是否能夠因此誕生一批“風口”行業值得大家期待。

(三)基于微流控芯片的代表性關鍵技術

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖7)

3.1 新一代床邊診斷(point of care test,POCT)技術——Microfluidics-based POCT

POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標,現場指導用藥,使檢測、診斷、治療成為一個連續過程,對于疾病的早期發現和治療具有突破性的意義。

POCT儀器發展趨勢應是小型化、“傻瓜”式,操作簡單,無需專業人員,直接輸入體液樣本,即可迅速得到診斷結果,并將信息上傳至遠程監控中心,由醫生指導保健。目前,市場上有多種即時診斷方法,簡單的流動測試工作沒有流體管理技術,而當測試復雜性增加時,微流控技術是必要的。微流控芯片所具有的多種單元技術在微小可控平臺上靈活組合和規模集成的特點已使其成為現代POCT技術的首選,經過近年的發展,已涌現了一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖8)

(Cited from: Commercialization of micro?uidic point-of-care diagnostic devices, Lab Chip, 2012,12, 2118-2134)

3.2 超高通量篩選的主流平臺——微流控液滴芯片

在微流控芯片通道上加入兩種互不相溶的液體,將其中的分散相以微小體積單元(10-15 L-10-9 L)的形式和極快的速度(100-10000個/秒)分散于連續相中,即可形成用作微反應器或微量生化樣品載體的液滴。微流控芯片液滴已被認為是迄今為止最重要的微反應器,能提供一種在單分子和單細胞層面快速開展超大規模,超低含量反應的平臺。液滴操控靈活,形狀可變,大小均一,又有優良的傳熱傳質性能,產生頻率已達數十到數百KHz,在高通量藥物篩選和材料篩選領域顯示了巨大的潛力。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖9)

(Cited from: Reactions in Droplets in Microfluidic Channels, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7336-7356)

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖10)

3.3 哺乳動物細胞及其微環境操控平臺——微流控芯片仿生實驗室

由于微流控芯片的構件尺寸和細胞吻合,并可同時測定物理量、化學量和生物量,它已成為對哺乳動物細胞及其微環境進行操控的最具潛力的平臺。目前已可以構建微米量級且相對封閉的三維細胞培養、分選、裂解等操作單元,并把這些單元成功延伸到組織和器官。器官芯片是一種更接近仿生體系的模式,可在一塊幾平方厘米的芯片中培養各種活體細胞,形成組織器官,乃至由不同器官芯片進一步組成活體芯片,從而模擬一個活體的行為并研究活體中整體和局部的種種關系。在藥學領域,器官芯片將被部分替代小白鼠等模型動物,用于驗證候選藥物,開展毒理和藥理作用研究。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖11)

(四)微流控芯片的產業化現狀和發展趨勢

4.1 微流控芯片的市場前景

微流控芯片作為一種革命性的技術平臺,其市場前景顯然是極其巨大的。最近幾年微流控芯片取得了突破性進展,引起產業界的極大關注。這些突破性進展主要表現在兩個方面,一是已涌現出一批關健性技術,它們在很大程度上具有不可替代性,并因此形成以醫學和藥學為代表,覆蓋面很寬的應用領域,例如最近發展起來的器官芯片、液滴微流控芯片。其中,器官芯片或人體芯片,有望部分代替藥物研發過程中的臨床前動物實驗,最大限度地節約研發成本、縮短研發周期,并且解決動物權等倫理問題,具有極其巨大的潛在市場價值。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖12)

二是其中的一些應用已經或正在形成規模產業,例如基于微流控技術的新一代床邊診斷(Microflluidics-based POCT)系統,被產業界認為目前最有可能成為“Killer Appliction”(殺手級應用)的微流控芯片產品,其市場預計從2013年的16億美元增長到2019年的56億美元。

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖13)

(微流控即時診斷市場預測,法國市場研究機構Yole Development提供的數據,轉載自互聯網)

4.2 目前市場上幾種代表性微流控芯片產品

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖14).
微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖15)

4.3 微流控分析芯片產品現狀及發展趨勢

總體而言,當前的微流控芯片產品及發展趨勢總結如下:

微流控芯片—注定被深度產業化的科學技術(圖16)

 

 

 

 

 


   

   

   

   

   

   

 

   


   

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